Problemy zrównoważonego użytkowania surowców mineralnych

Problemy zrównoważonego użytkowania surowców mineralnych

PROBLEMY EKOROZWOJU – PROBLEMS OF SUSTAINABLE DEVELOPMENT
2009, vol. 4, No 1, 123-130
Problemy zrównoważonego użytkowania
surowców mineralnych
Problems of Sustainable Use of Mineral Resources
Agnieszka Gałuszka, Zdzisław Migaszewski
Uniwersytet Humanistyczno-Przyrodniczy Jana Kochanowskiego w Kielcach,
Wydział Matematyczno-Przyrodniczy, Instytut Chemii,
Zakład Geochemii i Ochrony Środowiska, ul. Świętokrzyska 15G, 25-406 Kielce,
e-mail: [email protected]; Zdzisł[email protected]
Streszczenie
Surowce mineralne należą do nieodnawialnych zasobów przyrody. Ich ilość w skorupie ziemskiej jest ograniczona a regeneracja możliwa jedynie w specyficznych warunkach geologicznych oraz w czasie obejmującym
setki, tysiące, a nawet miliony lat. Trwałość użytkowania surowców mineralnych zależy przede wszystkim od
ochrony i racjonalnej gospodarki tymi zasobami przyrody, jednak w obliczu rosnącej liczby mieszkańców Ziemi,
oszczędność ta tylko w niewielkim stopniu przyczyni się do zaspokojenia wzrastającego zapotrzebowania na
surowce mineralne. W artykule przedstawiono metody, które służą przedłużeniu trwałości użytkowania surowców mineralnych oraz zasygnalizowano problemy, z jakimi może być związane wdrażanie zrównoważonej gospodarki surowcami mineralnymi.
Słowa kluczowe: surowce mineralne, zrównoważony rozwój, recykling, substytucja, biotechnologia
Abstract
Mineral raw materials belong to non-renewable resources. Their content in the Earth’s crust is limited and they
undergo regeneration only in specific geologic conditions during hundreds, thousands or even millions of years.
The sustainable use of mineral resources depends mostly on their protection and efficient management. However, due to growing population on Earth, the economy will not fulfill an increasing demand for mineral resources. This article presents various methods of extending the future availability of mineral resources, as well as
indicates some potential problems in implementation of sustainable management of mineral resources.
Key words: mineral resources, sustainable development, recycling, substitution, biotechnology
Wstęp
Surowce mineralne zapewniają wysoki standard
życia współczesnych społeczeństw, gwarantując
zaspokojenie zapotrzebowania na energię, materiały budowlane a także stanowiąc podstawę przemysłu i rozwoju technologicznego. Zrównoważony
rozwój ma zapewnić możliwość przetrwania cywilizacji ludzkiej w obliczu zmniejszających się zasobów surowców nieodnawialnych (zwłaszcza energetycznych) oraz wzrastającej antropopresji i związanego z nią zanieczyszczenia środowiska przyrodniczego. Realizacja zrównoważonego rozwoju
nakłada na społeczeństwa obowiązki racjonalnego
gospodarowania zasobami przyrody oraz zapewnienia bazy surowcowej, jak również odpowiedniej
jakości środowiska przyrodniczego dla przyszłych
pokoleń. Kozłowski za Goetlem (1997) podkreślił
istotną rolę zapewnienia trwałości kopalin1 oraz
1
Terminy kopaliny i surowce mineralne (lub pierwotne
surowce mineralne) traktowane są przez wielu autorów
jako synonimy. Niektórzy jednak pod pojęciem kopalina
rozumieją substancję zawartą w złożu (np. wapień),
natomiast termin surowiec mineralny traktują jako kopa-
124
A. Gałuszka, Z. Migaszewski/Problemy Ekorozwoju/Problems of Sustainable Development 1/2009
zagwarantowania ochrony środowiska wokół
miejsc eksploatacji i przeróbki kopalin w realizacji
ochrony litosfery jako kluczowego zadania współczesnej cywilizacji.
Realizacja ekorozwoju na szczeblu rządowym
polega na opracowaniu aktów prawnych i dokumentów, które wyznaczają kierunki działań służące
zrównoważonemu rozwojowi. Przykładem takiego
podejścia do zagadnienia trwałego wykorzystania
surowców mineralnych jest obowiązująca w Unii
Europejskiej strategia tematyczna w sprawie zrównoważonego wykorzystywania zasobów naturalnych2. Dokument ten w szczególności zwraca uwagę na rolę technologii, które pozwolą na wzrost
oszczędności surowców, poprzez zwiększenie efektywności ich pozyskiwania oraz przetwarzania w
procesie produkcyjnym. Niemniej istotnym zadaniem jest według tej strategii „opracowanie i wdrożenie szerokiego zakresu instrumentów, obejmujących badania, transfer technologii, instrumenty
rynkowe i ekonomiczne, programy najlepszych
działań praktycznych oraz wskaźniki wydajności
zasobów”.
W obecnych czasach coraz częściej stawiane są
pytania o to, w jaki sposób współczesne społeczeństwa mogą zapobiec kryzysowi surowcowemu w
przyszłości i czy jest to zadanie możliwe do wykonania. Podobnie jak w przypadku realizacji innych
przesłanek ekorozwoju, zapewnienie trwałości
kopalin wymaga pewnych wyrzeczeń, które prędzej, czy później będą musiały być podjęte przez
społeczeństwa. Jednak im wcześniej racjonalne
wykorzystanie zasobów przyrody stanie się powszechne, tym mniej dotkliwie odczują kryzys
surowcowy przyszłe pokolenia.
Do najważniejszych zadań przemysłu wydobywczego należy problem ochrony złóż surowców
mineralnych oraz związanego z nim stopnia wykorzystania oraz właściwego i komplementarnego ich
zagospodarowania. Szczególnej ochronie podlegają
złoża unikatowe w skali całego kraju, o wyjątkowej
wartości użytkowej (np. surowców ilastych ceramiki szlachetnej, rud miedzi). Stopień wykorzystania
złoża jest dość istotny w przypadku występowania
w nim surowca zróżnicowanego jakościowo. W
trudnych warunkach geologiczno-górniczych lub
przy pełnej mechanizacji eksploatacji wybiera się
często najlepsze partie złoża, pozostawiając partie
ustępujące pod względem jakościowym. W niektórych przypadkach stopień jego wykorzystania nie
przekracza 40%. Właściwe zagospodarowania
złoża polega na eksploatacji zgodnie z jego przeznaczeniem, na przykład złoża wapieni i piaskowców blocznych nie powinny być wykorzystywane
do produkcji kruszywa łamanego. Pozyskiwanie
kamieni blocznych nie wymaga stosowania dużej
linę przerobioną (np. kruszywo łamane wapienne) (Bolewski i in., 1990).
2
Patrz strona UE: http://www.europa.eu.int/comm/ environment/ natres/ index.htm (1.01.2008).
ilości materiałów wybuchowych, co nie prowadzi
do powstawania dodatkowych rozluźnień i spękań
w złożu, a tym samym do jego dewastacji. Taki
sposób podejścia nosi w sobie jeszcze dodatkowy
aspekt praktyczny. Eksploatacja kamieni blocznych
jest źródłem niewielkiej ilości odpadów, co w połączeniu z brakiem innych efektów ubocznych towarzyszących wybuchom (drgań górotworu, rozchodzenia się fal akustycznych, rozrzutu odłamków
skał) czyni ją mniej uciążliwą dla środowiska przyrodniczego. Z innych przykładów niewłaściwego
wykorzystywania złóż surowców mineralnych
należy wymienić: złoża wapieni o wysokiej zawartości CaCO3 (około 99%) do produkcji kruszywa
łamanego, złoża iłów ceramiki szlachetnej do produkcji cegły budowlanej lub też złoża piasków
szklarskich do produkcji zapraw murarskich lub
tynków itp.
Komplementarne wykorzystanie złoża oznacza,
że wraz z kopaliną główną powinny być eksploatowane kopaliny współwystępujące i towarzyszące, przy jednoczesnym dążeniu do bezodpadowego
wykorzystania surowców mineralnych. Przykładem
kopalin współwystępujących (nie dających się
oddzielić od kopaliny głównej) są margle lub dolomity w wapieniach, węgle sapropelowe (kenele i
boghedy) w obrębie węgli humusowych w pokładach węgla kamiennego itp. Kopaliny towarzyszące
obejmują surowce chemiczne lub skalne, występujące w złożach węgli kamiennych (bentonity, iły
bentonitowe, łupki ogniotrwałe), węgli brunatnych
(surowce ilaste ceramiki szlachetnej i budowlanej,
kruszywa naturalne) lub rud miedzi (anhydryt).
Innym przykładem jest występowanie kopalin
głównych i towarzyszących należących do grupy
surowców skalnych – piasków kwarcowych z piaskami formierskimi oraz iłów i glin do produkcji
ceramiki budowlanej i odpowiednio kruszywa lekkiego. W rudach metali występują często domieszki
rzadkich pierwiastków i tak na przykład rudy miedzi zawierają ponad 40 pierwiastków śladowych, z
których tylko nieliczne z uwagi na barierę technologiczną i ekonomiczną są odzyskiwane. W przypadku rud metali dużą rolę odgrywa też postęp
techniczny w procesach ich przeróbki. Ważne jest
dobranie takiego procesu technologicznego (dostosowanego do określonego minerału), który uniemożliwi przejście zbyt dużych ilości metalu do
odpadów przeróbczych.
Konieczne jest także poszukiwanie substytutów
surowców mineralnych oraz maksymalizacja odzysku przez obieg zamknięty (recykling). Pewne
nadzieje na uniezależnienie się społeczeństw od
zasobów surowców nieodnawialnych dają nowe
technologie, a wśród nich biotechnologie, jednak
wizja świata, w którym zmodyfikowane genetycznie organizmy zaspokajają zapotrzebowanie na
surowce mineralne wydaje się być jeszcze odległa
w czasie.
A. Gałuszka, Z. Migaszewski/Problemy Ekorozwoju/Problems of Sustainable Development 1/2009
125
Pojęcie trwałości surowców mineralnych
Surowce mineralne zalicza się do nieodnawialnych zasobów środowiska przyrodniczego, czyli
takich, których odtworzenie w ciągu trwania jednego pokolenia nie jest możliwe. Wynika to z faktu,
że powstają one w wyniku różnych procesów geologicznych w określonym przedziale czasu. Wyjątkiem są współcześnie tworzące się nagromadzenia
piasków i żwirów w korytach rzek i na wybrzeżach
morskich, pokłady guana (fosforanów i azotanów
wapnia, magnezu i amonu), soli kamiennej w salinach i lagunach morskich stref tropikalnych i subtropikalnych lub chlorków, boranów, azotanów,
siarczanów w wysychających zbiornikach pustynnych, nagromadzeń siarki w kraterach czynnych
wulkanów itp. Ze względu na rodzaj wykorzystania
wyróżnia się cztery grupy złóż surowców mineralnych (Kozłowski, 1991; Przeniosło, 1996):
1. energetycznych (węgiel kamienny i brunatny, ropa naftowa, gaz ziemny, uran, łupki i
piaski bitumiczne),
2. metalicznych (rudy metali),
3. chemicznych (sól kamienna, sole potasowomagnezowe, siarka, baryt, fluoryt itp.)
4. skalnych (surowców budowlanych, ceramicznych itp.).
Należy jednak podkreślić, że często te same surowce znajdują zastosowanie w różnych gałęziach
gospodarki, np. wapienie w budownictwie (kamienie bloczne, płyty dekoracyjne), w drogownictwie
(kruszywo łamane), hutnictwie (topnik), w przemyśle cementowym i wapienniczym, przy odsiarczaniu gazów kominowych w elektrowniach węglowych, w rolnictwie do odkwaszania gleb itp.
Dla utrzymania wysokiego standardu życia obywateli krajów rozwiniętych i zapewnienia rozwoju
ekonomicznego, kluczowe znaczenie mają surowce
energetyczne oraz skalne. Umożliwiają one realizację najważniejszych potrzeb życiowych współczesnych społeczeństw – produkcję energii elektrycznej i ciepła oraz budowę domów, zakładów przemysłowych i obiektów użyteczności publicznej.
Surowce te są jednocześnie najintensywniej eksploatowane, a ich recykling jest zwykle niemożliwy
lub nieopłacalny. Wskaźniki tempa zużycia per
capita dla większości surowców wzrastają o 1-3%
rocznie (Legarth, 1996). Wśród surowców metalicznych najwięcej (powyżej 1 mln ton rocznie)
zużywa się żelaza, glinu, miedzi, manganu, cynku,
chromu, ołowiu, tytanu i niklu. Do surowców wykorzystywanych w najmniejszej ilości (<2500 t/rok)
należą złoto, selen, tantal, platynowce, ind, gal,
german, diamenty i skand (Wellmer, Becker-Platen,
2001). Surowce te w większości są wykorzystywane w przemyśle elektronicznym, stanowiącym podstawę nowoczesnych technologii.
Raport Klubu Rzymskiego „Granice wzrostu”
(Meadows i in., 1972) jest prawdopodobnie najczęściej cytowanym przykładem prognozy globalnego
załamania gospodarki światowej w wyniku zużycia
zasobów nieodnawialnych. Nie sposób nie docenić
roli tej publikacji w budzeniu świadomości ekologicznej i w kształtowaniu idei zrównoważonego
rozwoju świata. W prognozach dotyczących ilości
dostępnych surowców mineralnych używa się
wskaźnika ich żywotności (ang. reserves life time,
life index), oznaczającego stosunek udokumentowanych zasobów danego surowca do jego obecnej
konsumpcji w skali roku (Wellmer, Becker-Platen,
2002). Choć wskaźnik ten nie uwzględnia wielu
istotnych czynników kształtujących wielkość wydobycia (np. dostępności zasobów, popytu na dany
surowiec, kosztów eksploatacji itp.), to jednak
umożliwia on wyznaczenie dotychczasowych trendów w konsumpcji surowców mineralnych oraz
ułatwia prognozowanie przyszłych zmian. Jak pokazuje analiza wskaźników żywotności dla węgla,
cynku, ołowiu, gazu ziemnego i ropy naftowej
przedstawiona przez Wellmer i Becker-Platen
(2002), na początku XXI wieku, jedynie w przypadku ropy naftowej, której wydobycie osiągnie
szczyt między latami 2010–2020, są możliwe trafne
prognozy. Współczesny rynek ropy naftowej dysponuje 1010 miliardami baryłek3, a biorąc pod
uwagę możliwość dokonania nowych odkryć
(szczególnie w strefach szelfu kontynentalnego i w
regionach polarnych) i poprawiania efektywności
wydobycia, może on wzrosnąć do 2000 miliardów
(McLaren, 2005). Rocznie zużywa się około 30
miliardów baryłek ropy, przy czym jej zasobów
wystarczy według prognoz na następne 35-70 lat.
Biorąc pod uwagę silną ekspansję krajów intensywnie rozwijających się, takich jak Chiny czy
Indie, zużywających coraz więcej surowców, prognozy te mogą być zbyt optymistyczne. Już dziś
zwraca się uwagę na możliwość załamania się gospodarki USA i powstania licznych problemów
społecznych w wyniku wzrostu cen tego surowca.
Rekordowa cena 100$ za baryłkę ropy padła na
nowojorskiej giełdzie 2 stycznia 2008 roku, osiągając w III kwartale tego roku granicę 150$. Według
ekspertów finansowych, mimo okresowych spadków, będzie ona stale wzrastać.
Nieco większym optymizmem napawa sytuacja
na rynku surowców metalicznych. Według zestawienia zawartego w Komunikacie Komisji do Rady
i Parlamentu Europejskiego z 2003 roku4, nie ma
obecnie podstaw do obaw, że w ciągu kilkudziesięciu lat dojdzie do całkowitego wyczerpania złóż rud
metali w skali światowej. Dla poszczególnych metali stosunek udokumentowanych zasobów bilansowych do produkcji w 1999 roku wynosił: dla
żelaza – 133 lata, cynku – 24 lata, ołowiu – 21 lat,
3
Baryłka – jednostka objętości w przemyśle naftowym. 1
baryłka = 42 galony amerykańskie = ∼159 litrów.
4
Patrz: strona internetowa Ministerstwa Środowiska:
http://www.mos.gov.pl/.../Towards_a_Thematic_Strategy
_on_the_Sustainable_Use_of_Natural_Resources_ver_P
OL.pdf (1.01.2008).
126
A. Gałuszka, Z. Migaszewski/Problemy Ekorozwoju/Problems of Sustainable Development 1/2009
miedzi – 27 lat, niklu – 44 lata, cyny – 49 lat oraz
srebra – 16 lat. Cytowane szacunki uważa się za
zaniżone w wyniku bezzasadnego zaniechania
poszukiwań nowych złóż surowców mineralnych,
poprawy wydajności wydobycia oraz recyklingu.
Niemałą szansą na zwiększenie trwałości surowców
metalicznych jest rozwój technologiczny, prowadzący do miniaturyzacji urządzeń, a co za tym
idzie, zmniejszenia zużycia metali (Legarth, 1996).
Współczesne i nowe technologie poszukiwania i
eksploatacji surowców mineralnych
Współcześnie w górnictwie stosuje się trzy metody eksploatacji kopalin: podziemną, odkrywkową i
otworową. Najbardziej opłacalnym a jednocześnie
najstarszym sposobem pozyskiwania surowców
mineralnych jest metoda odkrywkowa. Nadaje się
ona do złóż zalegających płytko, w Polsce jest
obecnie stosowana przede wszystkim w eksploatacji węgla brunatnego, torfu oraz surowców skalnych (piasków, żwirów, glin, iłów, wapieni, dolomitów, piaskowców, granitów, bazaltów). Metodą
podziemną pozyskuje się surowce mineralne z
głęboko zalegających złóż. W Polsce ma ona zastosowanie do eksploatacji węgla kamiennego i rud
metali. Ostatnia, otworowa metoda nadaje się do
wydobycia surowców chemicznych (siarki, soli
kamiennej) oraz węglowodorów (ropy naftowej,
gazu ziemnego). Każdy z wymienionych rodzajów
eksploatacji wywołuje zagrożenia dla środowiska
przyrodniczego, do których należą przede wszystkim: zmiany stosunków wodnych, deformacje powierzchni ziemi, zanieczyszczenie wód i gleb oraz
wytwarzanie znacznych ilości trudnych do zagospodarowania odpadów.
Metody odkrywkowa i podziemna są stosowane
od początków rozwoju górnictwa i nic nie wskazuje
na to, że należy się spodziewać rewolucyjnych
zmian w technologii pozyskiwania surowców mineralnych w przyszłości. Dopóki złoża będą możliwe
do eksploatacji, te tradycyjne metody będą stosowane. Nowoczesne technologie będą z pewnością
wykorzystywane do zwiększenia zdolności wydobywczych kopalń, do eksploatacji złóż występujących na dużych głębokościach lub w strefach szelfu
kontynentalnego i dna oceanów, automatyzacji
procesu wydobycia kopalin, czy też do zmniejszenia uciążliwości dla środowiska. Wraz z wprowadzeniem zrównoważonego rozwoju w górnictwie,
nowego znaczenia nabrały odpady pogórnicze,
które stały się źródłem wielu cennych surowców –
jako tzw. złoża antropogeniczne (Nieć, 1999).
Przykładem nowego podejścia do eksploatacji
surowców metalicznych jest możliwość pozyskiwania metali z konkrecji polimineralnych – nagromadzeń tlenków żelaza i manganu, występujących
na dnie oceanów i wzbogaconych, w porównaniu z
ich odpowiednikami ze środowisk lądowych, w
wiele cennych pierwiastków śladowych (np. Au,
Co, Cu, Mo, Ni, Pt) (Tsujino, 2007). Konkrecje o
znaczeniu perspektywicznym, występują na głębokości do 5500 m, tworząc tzw. pola konkrecyjne.
Według Morgan (2000), najbogatsze z pól ClarionClipperton, znajdujące się w strefie przyrównikowej Oceanu Spokojnego, stwarza możliwość wydobycia około 7500 mln ton manganu, 340 mln ton
niklu, 265 mln ton miedzi i 78 mln ton kobaltu.
Ze względów ekonomicznych nie podjęto dotąd
eksploatacji podmorskiej rud metali, jednak prowadzone są badania służące poznaniu budowy geologicznej złóż, warunków ich występowania oraz
możliwości eksploatacji i technicznego odzysku
metali z konkrecji. Zwraca się też dużą uwagę na
zapewnienie ochrony środowiska w trakcie potencjalnej eksploatacji, zwłaszcza na ocenę negatywnego oddziaływania na faunę bentosową.
Rośnie znaczenie eksploatacji podmorskiej ropy i
gazu. W tym kontekście godnymi uwagi są perspektywy zastosowań ekstremofilnych mikroorganizmów do biodegradacji in situ potencjalnych
zanieczyszczeń mórz i oceanów.
Całkiem futurystyczna wydaje się natomiast wizja
pozyskiwania surowców z przestrzeni kosmicznej.
Jednak w wielu ośrodkach naukowych prowadzi się
badania służące ocenie perspektyw pozyskiwania
metali szlachetnych (platyny, palladu, irydu), niklu,
selenu, galu z asteroid znajdujących się w pobliżu
Ziemi (Suslick, Machado, 2002).
W nowych technologiach upatruje się także nadziei na zmniejszenie kosztów odzysku metali z
coraz uboższych rud (Tilton, 1996), jak również z
odpadów mineralnych. Należy podkreślić, że wiele
hałd i osadników zawierających odpady mineralne,
w tym niskoprocentowe rudy metali, można zaliczyć do złóż antropogenicznych. Wraz z rozwojem
postępu technologicznego w zakresie wydobycia i
przeróbki rud metali, należy również spodziewać
się poszerzenia zasobów niektórych złóż o zasoby
uznane kiedyś za pozabilansowe. Zadaniem technologii na przyszłość jest także miniaturyzacja urządzeń i odkrywanie nowych metod substytucji. Dobrym przykładem jest ewolucja w telekomunikacji,
na przykład zastępowanie miedzianych kabli światłowodami wykazało, że jest możliwa substytucja
dzięki postępowi w technologii. Kolejnym krokiem
naprzód jest uniezależnianie się od surowców poprzez bezprzewodowy przepływ informacji z użyciem na przykład fal radiowych.
Reasumując, rudy metali będą w dalszym ciągu
wyznaczać „puls” postępu technicznego, chociaż
należy się spodziewać dużych zmian jakościowych
– wypierania „tradycyjnych” metali przez pierwiastki wchodzące w skład stopów o specjalnym
zastosowaniu. Zapotrzebowanie na określone rudy
będzie też kształtować pojawienie się nowych generacji tworzyw sztucznych, czy też większe wykorzystanie złomu żelaza i metali kolorowych (np. w
Wielkiej Brytanii przekraczające niekiedy zużycie
odpowiednich rud).
A. Gałuszka, Z. Migaszewski/Problemy Ekorozwoju/Problems of Sustainable Development 1/2009
127
Biotechnologie
Wykorzystanie procesów biologicznych w przemyśle, daje duże nadzieje na odsunięcie w czasie, a
według niektórych ekspertów na całkowitą eliminację problemu wyczerpywania się surowców nieodnawialnych. Spośród licznych zastosowań biotechnologii, tematycznego zagadnienia dotyczą biologiczne metody pozyskiwania metali z ubogich rud,
odpadów, wód kopalnianych oraz zanieczyszczonych gleb i osadów (biogórnictwo i fitogórnictwo),
jak również produkcja energii z biologicznych
źródeł alternatywnych.
Biogórnictwo według Rawlingsa i in. (2003) to
„wykorzystanie mikroorganizmów do ługowania
metali z rud siarczkowych i ich koncentratów”.
Technologia biogórnictwa polega na mikrobiologicznym utlenieniu żelaza(II) i siarki w złożach
siarczków. Produktami tego utleniania są żelazo(III) i kwas siarkowy(VI). W środowisku wodnym wymienione substancje przyczyniają się do
powstania rozpuszczalnych siarczanów(VI) metali
(np. cynku, niklu, miedzi), które mogą być odzyskiwane z roztworów na drodze elektrochemicznej
(Gałuszka, 2005). Do mikroorganizmów, które
wykorzystuje się w biogórnictwie należą głównie
bakterie i archeobakterie oraz niektóre grzyby i
glony. W większości są one chemolitoautotroficzne
i tolerują niskie pH (acidofile i ekstremalne acidofile) oraz wysokie temperatury (termofile). Te ostatnie znalazły również zastosowanie w bardziej wydajnych procesach biotechnologicznych wymagających wysokich temperatur. Do technologii biogórnictwa zalicza się również biooksydację, która
polega na utlenianiu składników matrycy mineralnej lub skalnej podczas pozyskiwania metali szlachetnych, np. w przypadku złota technologię biogórnictwa stosuje się do usunięcia pirytu lub arsenopirytu.
Biogórnictwo jest bardzo wydajnym procesem.
Dzięki tej biotechnologii można odzyskać od 40%
(srebro) do 99% (cynk) metalu z substratu. Biorąc
pod uwagę obecną rynkową cenę metali, najbardziej opłacalne jest biogórnicze pozyskiwanie miedzi z chalkopirytu, dające odzysk do 97% tego
surowca (Hallberg, Lindstrom, 1994). Szacuje się,
że około 20% światowej produkcji miedzi pochodzi
z biogórnictwa, w czym przoduje Chile z 10%
udziałem tej biotechnologii w wydobyciu metalu
(Corfield, 2006).
Technologia biogórnictwa stwarza możliwość
wykorzystywania rud gorszej jakości, które były
dotąd gromadzone jako odpady, lub też bogate w
metale pyły przemysłowe (w takim przypadku
dodatkową korzyścią jest zmniejszenie szkodliwości pyłów przemysłowych jako odpadów). Stosowanie tej biotechnologii chroni środowisko przyrodnicze przed negatywnym wpływem działalności
górniczej, zwłaszcza przed zanieczyszczeniem gleb
i wód metalami oraz przed zakwaszeniem wód
kopalnianych (z ang. Acid Mine Drainage). W
porównaniu z tradycyjnym pozyskiwaniem metali,
biogórnictwo daje także pośrednie korzyści, a
zwłaszcza oszczędność energii (surowców energetycznych), ponieważ proces technologiczny nie
tylko nie wymaga zewnętrznych źródeł energii, lecz
sam jest źródłem energii generowanej w trakcie
reakcji utleniania. Jako przykład może służyć piryt,
którego utlenianie jest procesem silnie egzotermicznym, wytwarzającym około 1500 kJ ciepła z 1
mola FeS2 (Cathles, Apps, 1975; Migaszewski,
Gałuszka, 2007).
Podobną do mikroorganizmów rolę w wydobywaniu metali mogą pełnić rośliny wyższe zaliczane
go grupy hiperakumulatorów, czyli roślin, które
akumulują wybrane pierwiastki w biomasie. Po raz
pierwszy zwrócono uwagę na możliwość użycia
hiperakumulatorów w fitogórnictwie w 1983 roku
w Stanach Zjednoczonych (Anderson i in., 1999), a
twórcy tej koncepcji (R.L. Chaney, J.S. Angle,
A.J.M. Baker i J.M. Li) uzyskali w 1989 roku patent: „Metoda biogórnictwa niklu, kobaltu i innych
metali z gleby”. Fitogórnictwo polega na sadzeniu
lub wysiewaniu hiperakumulatorów na glebach
wysoko zmineralizowanych lub terenach pogórniczych. Plon uzyskiwany w ten sposób, nazywany
„biorudą” (z ang. bio-ore), zbiera się po zakończeniu sezonu wegetacyjnego lub w sezonowym wykaszaniu. Fitogórnictwo może być prowadzone w
warunkach naturalnych lub być wspomagane poprzez dodatek nawozów i/lub związków kompleksujących (np. EDTA).
Fitogórnictwo pozwala na pozyskiwanie metali
zgromadzonych na hałdach pogórniczych, które nie
nadają się ze względów ekonomicznych do eksploatacji, a jednocześnie mogą stanowić zagrożenie dla
środowiska przyrodniczego. Mała popularność tej
technologii wynika z niskich cen metali na rynku
światowym oraz uciążliwości zabiegów agrotechnicznych. Metody fitogórnictwa były dotychczas
wykorzystywane głównie w badaniach laboratoryjnych (np. Nedelkoska, Doran, 2000).
Największym zainteresowaniem współczesnej
biotechnologii cieszy się poszukiwanie alternatywnych źródeł energii. Biotechnologiczna produkcja
energii polega na wykorzystaniu pierwiastka węgla
zasymilowanego przez rośliny w procesie fotosyntezy i jego konwersji do bioetanolu czy innych
biopaliw. Przykładem biotechnologicznego otrzymywania energii jest wytwarzanie etanolu z ziaren
kukurydzy. Produkcja bioetanolu z tego źródła w
USA w 2004 roku kształtowała się na poziomie
około 12 milionów m3 (McLaren, 2005) a 2006
roku w osiągnęła około 18 milionów m3 (Angenent,
2007). Tak znaczny wzrost był możliwy dzięki
modyfikacjom genetycznym, m.in., wprowadzeniu
do genomu kukurydzy genu z bakterii glebowej
Bacillus thuringensis, kodującego białko uodparniające rośliny na ich owadziego szkodnika omacnicę prosowiankę. Inne modyfikacje genetyczne,
128
A. Gałuszka, Z. Migaszewski/Problemy Ekorozwoju/Problems of Sustainable Development 1/2009
prowadzące do zwiększenia ilości skrobi, zmniejszenia ilości błonnika, poprawienia stosunku ilościowego amylozy do amylopektyny, ułatwiłyby
proces technologicznej produkcji etanolu i wpłynęłyby na znaczny wzrost jego wydajności (McLaren,
2005). Mimo zainteresowania biotechnologicznymi
metodami produkcji energii, należy zwrócić uwagę
na możliwość wystąpienia nieprzewidywalnych w
skutkach zaburzeń w ekosystemach, jakie mogą
nastąpić pod wpływem modyfikacji genetycznych
roślin uprawnych, jak choćby eliminacja z sieci
pokarmowych szkodników owadzich, stanowiących
pokarm owadożerców. Między innymi z tych obaw
rodzi się niepewna przyszłość i niechęć do biotechnologicznego rynku energii. Kolejnym problemem
związanym z biopaliwami jest opłacalność ich
produkcji. Według raportu OECD z 2008 roku,
pomimo wysokich cen ropy naftowej, koszty produkcji biopaliw w porównaniu z benzyną są w
większości krajów wyższe. Zaskakująco niska jest
też ich skuteczność ograniczania emisji CO2. Niepokój budzi również twierdzenie, że duży popyt na
biopaliwa spowodował szybki wzrost cen żywności, poprzez kurczenie się areału upraw dla przemysłu rolno-spożywczego. Nie bez znaczenia są również dwa dodatkowe aspekty biotechnologicznego
rynku energii: globalny (efekt cieplarniany) i przyrodniczy (degradacja naturalnych ekosystemów).
Uprawa roślin energetycznych na obszarach wyciętych lasów, w których rośliny i gleby wiążą znaczne ilości CO2, jest przedsięwzięciem nieopłacalnym. Według organizacji Nature Conservancy
(zespół Joe Fargioniego), straty przewyższają zyski
17–423 razy. Do produkcji biopaliw nadają się
tylko odpady roślin uprawnych, natomiast w przypadku nieużytków przyroda więcej zyska jeśli zasadzi się na nich las.
Recykling i substytucja – nadzieje i ograniczenia
Terminem recykling określa się powtórne wprowadzenie do obiegu surowca niezużytego w procesie syntezy lub wykorzystanie produktów ubocznych jako surowców w innych procesach technologicznych (np. wodorotlenku sodu do usuwania
związków siarki w produktach naftowych), jak
również uzdatnianie odpadów (np. wodorotlenków
sodu i potasu do neutralizacji kwaśnych odpadów)
lub odzyskiwanie energii (Migaszewski, Gałuszka,
2007). Do najczęściej odzyskiwanych materiałów
należą zużyte produkty naftowe (smary i płyny
hydrauliczne), baterie i akumulatory. Stosowanie
recyklingu jest bardzo korzystne, ponieważ pozwala na oszczędność surowców, jak również zmniejszenie objętości, a często i toksyczności odpadów.
Niestety nie każdy materiał może być poddany
recyklingowi. Według Ayres’a (1994), surowce
nieodnawialne można podzielić na trzy grupy pod
względem opłacalności i trudności technicznej ich
recyklingu. Do pierwszej grupy należą metale sto-
sowane w przemyśle oraz katalizie, których odzysk
sięga 25-50%. Drugą z grup stanowią opakowania,
rozpuszczalniki, których recykling jest technicznie
możliwy, lecz ekonomicznie nieopłacalny. Większość nieodnawialnych zasobów należy do grupy
trzeciej, której recykling jest nieopłacalny i technicznie uciążliwy, np. składniki barwników, pestycydów, środków wybuchowych itp. Niestety większość surowców nieodnawialnych znajduje się w
trzeciej grupie.
Słabą stroną recyklingu jest także niemożność
pełnego odzysku substancji. W niektórych gałęziach przemysłu wymagane są substraty o dużej
czystości, które znacznie łatwiej jest otrzymać z
rudy niż na drodze odzysku (Wellmer, BeckerPlaten, 2002). Odzysk materiałów wiąże się zwykle
z pogorszeniem ich jakości (za wyjątkiem nielicznych przypadków, np. butelek polietylenowych).
Innym rodzajem niedogodności związanej z możliwością recyklingu jest wysoka trwałość produktów,
co stwarza problemy z pozyskaniem materiału do
odzysku surowców (van Berkel, 2007).
Substytucja, czyli zastępowanie surowców nieodnawialnych odnawialnymi dotyczy głównie surowców energetycznych (Chen, 2006). Styl życia
mieszkańców krajów wysoko rozwiniętych jest
bardzo energochłonny i mimo, że skupiają one
tylko 25% populacji, to konsumują ponad 75%
energii produkowanej na świecie w skali roku (cyt.
za Dincer, 2000). Substytucja materiałów wydaje
się być dobrym rozwiązaniem w stosunku do malejących rezerw surowców nieodnawialnych. Przykładem jej jest omawiane w niniejszym artykule
zastępowanie benzyny biopaliwami lub węgla odnawialnymi źródłami energii (energią geotermalną,
wiatru, wody, słońca itp.).
Rozważając inne problemy związane z substytucją, należy zwrócić uwagę na fakt, że nie dla
wszystkich znanych materiałów, produkowanych z
surowców nieodnawialnych znane są odnawialne
substytuty. Niektórzy autorzy (np. Huesemann,
2003) dostrzegają dodatkowo istotne ekonomiczne
przyczyny współczesnej nieopłacalności substytucji
ze względu na „sztuczne” utrzymywanie niskich
cen surowców nieodnawialnych poprzez subsydia i
eksternalizację kosztów.
Podsumowanie
Jak wykazano w niniejszej publikacji, problematyka przedłużenia trwałości surowców mineralnych
jest przedmiotem rozważań na płaszczyźnie społeczno-prawnej, przyrodniczej, ekonomicznej i
technologicznej. Zainteresowanie specjalistów z
różnych dziedzin omówionym zagadnieniem stawia
je wśród najważniejszych problemów współczesnej
cywilizacji.
Według autorów przyszłość górnictwa można
podzielić na dwa etapy: w pierwszym nadal dominować będą tradycyjne metody eksploatacji surow-
A. Gałuszka, Z. Migaszewski/Problemy Ekorozwoju/Problems of Sustainable Development 1/2009
129
ców mineralnych, w połączeniu ze wzrostem efektywności wydobycia w miarę postępu technologicznego. Trwałość surowców według zasad zrównoważonego rozwoju będzie wspierana poprzez
nowe technologie, charakteryzujące się minimalnym zużyciem surowców mineralnych, wody i
energii, jak również przez recykling i substytucję.
Większy też będzie udział alternatywnych źródeł
energii w ogólnym bilansie energetycznym poszczególnych krajów. Okres ten może trwać przez
kolejne kilkadziesiąt do kilkuset lat, w zależności
od popytu na określone rodzaje surowców i ich
dostępność. Kolejny etap będzie związany z eksploracją złóż występujących na dnie oceanów oraz w
kosmosie (planetach, księżycach i asteroidach). Ze
względu na nieodnawialność surowców mineralnych przyszłe pokolenia zaczną odczuwać ich deficyt aż do zupełnego wyczerpania złóż. Nadzieją
napawa postęp technologiczny, który być może
całkowicie uniezależni cywilizację ludzką od nieodnawialnych zasobów środowiska. Przytaczając
słowa byłego saudyjskiego Ministra Ropy Naftowej
i Surowców Mineralnych, Ahmeda Zaki Yamaniego: „Epoka kamienia łupanego nie skończyła się z
powodu braku kamieni, a epoka ropy naftowej
skończy się długo przed tym, gdy na świecie skończy się ropa”, można się zastanawiać, czy dzięki
nowym technologiom nasza przyszłość może uniezależnić przyszłe pokolenia od strategicznych surowców? Niezależnie od odpowiedzi na to pytanie,
warto poszukiwać różnych dróg, które doprowadzą
cywilizację człowieka do bezpiecznej i zrównoważonej przyszłości.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
ANDERSON C.W.N., BROOKS R.R.,
CHIARUCCI A., LACOSTE C.J., LEBLANC
M., ROBINSON B.H., SIMCOCK R., STEWART R.B., 1999, Phytomining for nickel,
thallium and gold, w: Journal of Geochemical
Exploration, no 67, s. 407-415.
ANGENENT L.T., 2007, Energy biotechnology: beyond the general lignocellulose-toethanol pathway, w: Current Opinion in Biotechnology, no 18, s. 191-192.
AYRES R.U., Industrial metabolism: theory
and policy, w: The greening of industrial ecosystems, red. Allenby B.R., Richards D.J., National Academy Press, Washington D.C. 1994,
pp. 23-37.
BOLEWSKI A., GRUSZCZYK H., GRUSZCZYK E., Zarys gospodarki surowcami mineralnymi, Wyd. Geol. Warszawa 1990.
CATHLES L.M., APPS J. A., 1975, A model
of the dump leaching process that incorporates
oxygen balance, heat balance, and air convection, w: Metallurgical Transactions B, no 6B,
s. 617-624.
16.
17.
18.
19.
20.
CHEN CH., 2006, Development of a framework for sustainable uses of resources: More
paper and less plastics?, w: Environment International, no 32, s. 478-486.
CORFIELD R., 2006, Bugs banquet, w: Chemistry & Industry, no 23, s. 23-25.
DINCER I., 2000, Renewable energy and
sustainable development: a crucial review, w:
Renewable & Sustainable Energy Reviews, no
4, s. 157-175.
GAŁUSZKA A., 2005, Wykorzystanie mikroorganizmów i roślin do pozyskiwania metali, w: Przegląd Geologiczny, vol 53, no 10/1,
s. 858-862.
HALLBERG K.B., LINDSTROM E.B., 1994,
Characterization of Thiobacillus caldus sp.
Nov., a moderately thermophilic acidophile,
w: Microbiology, no 140, s. 3451-3456.
HUESEMANN M.H., 2003, The limits of
technological solutions to sustainable development, w: Clean Techn. Environ. Policy, no
5, s. 21-34.
KOMUNIKAT KOMISJI DO RADY I PARLAMENTU EUROPEJSKIEGO: W kierunku
strategii tematycznej na temat zrównoważonego wykorzystywania zasobów naturalnych,
2003 - http://www.europa.eu.int/comm/ environment/natres/index.htm (1.01.2008).
KOZŁOWSKI S., Gospodarka a środowisko
przyrodnicze, Wyd. Nauk. PWN, Warszawa
1991.
KOZŁOWSKI S., Droga do ekorozwoju,
Wyd. Nauk. PWN, Warszawa 1997.
LEGARTH J.B., 1996, Sustainable metal
resource management – the need for industrial
development: efficiency improvement demands on metal resource management to enable a (sustainable) supply until 2050, w: J.
Cleaner Prod., vol. 4, no 2, s. 97-104.
MCLAREN J.S., 2005, Crop biotechnology
provides an opportunity to develop a sustainable future, w: Trends in Biotechnology, vol.
23, no 7, s. 339-342.
MEADOWS D.H., MEADOWS D.L.,
RANDERS J., BEHRENS W.W., The Limits
to Growth, Universe Books, New York 1972.
MIGASZEWSKI Z.M., GAŁUSZKA A.,
Podstawy geochemii środowiska, WNT, Warszawa 2007.
MORGAN C.L., Resource estimates of the
Clarion-Clipperton manganese nodule deposits, w: red. Cronan D.S., Handbook of marine
mineral deposits, CRC Press, Boca Raton,
2000, s.145-170.
NEDELKOSKA T.V., DORAN P.M., 2000,
Characteristics of heavy metal uptake by plant
species with potential for phytoremediation
and phytomining, w: Minerals Engineering,
vol. 15, no 5, s. 549-561.
130
A. Gałuszka, Z. Migaszewski/Problemy Ekorozwoju/Problems of Sustainable Development 1/2009
21. NIEĆ M., 1999, Złoża antropogeniczne, w:
Przegląd Geologiczny, vol. 47, no 1. s. 93-98.
22. OECD REPORT, Biofuel Support Policies:
An Economic Assessment, OECD Publishing,
Paris 2008.
23. Red. PRZENIOSŁO S., Mineral Resources of
Poland 1995, Państw. Inst. Geol. Warszawa
1996.
24. RAWLINGS D.E., DEW D., DU PLESIS C.,
2003, Biomineralization of metal-containing
ores and concentrates, w: Trends in Biotechnology, no 21, s. 38-44.
25. Strategia tematyczna w sprawie zrównoważonego wykorzystywania zasobów naturalnych,
2007, http://www.europa.eu.int/comm/ environment/natres/index.htm (1.01.2008).
26. SUSLICK S.B., MACHADO I.F., Nonrenewable resources, w: red. Cilek V., Natural
Resources Policy and Management, Encyclopedia of Life Support Systems, Oxford UK,
UNESCO/EOLSS Publishers Co. 2002, s.
363-381.
27. TILTON J.E., 1996, Exhaustible resources
and sustainable development. Two different
paradigms, w: Resources Policy, vol. 22, no
1/2, s. 91-97.
28. TSUJINO T., 2007, Exploration technologies
for the utilization of ocean floor resources –
contribution to the investigation for the delineation of continental shelf, w: Science &
Technology Trends, Quarterly Review, no 24,
s. 68-80.
29. VAN BERKEL R., 2007, Eco-efficiency in
primary metals production: Context, perspectives and methods, w: Resources Conservation
& Recycling, no 51, s. 511-540.
30. WELLMER F-W., BECKER-PLATEN J.D.,
Global nonfuel mineral resources and sustainability, w: red. Briskey J.A., Schulz K.J, Proceedings of 31st International Geological
Congress Workshop on Deposit Modeling,
Mineral Resource Assessment, and their role
in Sustainable Development, USGS Circular.
2001.
31. WELLMER F-W., BECKER-PLATEN J.D.,
2002, Sustainable development and the exploitation of mineral and energy resources: a
review, w: Int. J. Earth Sci., no 91, s. 723-745.